KR102507195B1 - 연료 전지 장치 - Google Patents

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김명환
조연호
성창현
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윤선호
최영진
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임진혁
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Abstract

본 발명은 연료 전지 장치에 관한 것으로, 수소와 공기를 연료로 공급받아 전력을 생성하는 연료전지스택 및 연료전지스택에서 발생되는 수분이 외부로 배출되도록 연료전지스택을 이동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지 장치{FUEL CELL APPARATUS}
본 발명은 연료 전지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택 내에서 발생되는 물을 효율적으로 제거할 수 있는 연료 전지 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 전력반응수단으로, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
연료전지의 이온교환막은 물 함유도에 비례하여 수소이온을 전도하는 특성이 있어 이온전도도를 높이기 위해 가습된 공급 기체를 사용하고 있으며, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적인 반응에 의해 물을 생성한다. 이에 따라 연료전지 내에서 적절한 물 관리가 이루어지지 않으면 물이 반응기체의 통로를 막아 성능이 급격히 하락하는 플러딩(flooding)현상이 일어나게 된다. 따라서 연료전지 내의 물 관리를 적절히 할 수 있는 방안에 대한 연구 및 개발이 필요하다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 특허등록공보 제10-0599776호(2006.07.05 등록, 발명의 명칭: 연료 전지 시스템 및 그 스택)에 개시되어 있다.
본 발명은 연료전지 스택 내에서 발생되는 물을 효율적으로 제거할 수 있는 연료 전지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 연료 전지 장치는: 수소와 공기를 연료로 공급받아 전력을 생성하는 연료전지스택; 및 상기 연료전지스택에서 발생되는 수분이 외부로 배출되도록 상기 연료전지스택을 이동시키는 구동부;를 포함한다.
또한, 상기 연료전지스택은, 제1엔드플레이트; 상기 제1엔드플레이트와 이격되게 배치되고, 상기 구동부와 연결되는 제2엔드플레이트; 상기 제1엔드플레이트와 상기 제2엔드플레이트 사이에 배치되고, 막전극 접합체로 수소를 공급하는 제1분리판; 및 상기 제1분리판과 상호 교번되게 배치되고, 상기 막전극 접합체로 공기를 공급하는 제2분리판;을 포함한다.
또한, 상기 제1분리판은, 제1바디; 상기 제1바디의 일면에 배치되는 제1유로부; 상기 제1바디의 회전에 연동되어 상기 제1유로부로 유입된 수분을 포집하는 포집유로부; 상기 제1유로부의 일측과 연결되고, 상기 제1유로부로 수소를 공급하는 제1유입구; 및 상기 제1유로부의 타측과 연결되고, 상기 제1유로부와 상기 포집유로부로부터 수소 및 수분을 배출하는 제1배출구;를 포함한다.
또한, 상기 제1유입구와 상기 제1배출구는 상기 제1유로부의 원주 방향을 따라 소정 간격 이격되게 배치된다.
또한, 상기 포집유로부는 상기 제1유로부의 내측으로 오목하게 함몰 형성되고, 상기 제1유로부의 가장자리 영역에 배치된다.
또한, 상기 포집유로부는 상기 제1유로부와 동심원을 이루도록 배치된다.
또한, 상기 제2분리판은, 제2바디; 상기 제2바디의 일면으로부터 돌출되는 복수개의 돌기부; 각각의 상기 돌기부의 사이에 배치되는 제2유로부; 상기 제2유로부의 일측과 연결되고, 상기 제2유로부로 공기를 공급하는 제2유입구; 및 상기 제2유로부의 타측과 연결되고, 상기 제2유로부로부터 공기 및 수분을 배출하는 제2배출구;를 포함한다.
또한, 상기 제2유입구는 상기 제2바디를 상기 제2바디의 축 방향으로 관통하고, 상기 제2유로부의 내주면과 연통된다.
또한, 상기 제2배출구는 상기 제2바디를 상기 제2바디의 반경 방향으로 관통하고, 상기 제2유로부의 외주면과 연통된다.
또한, 상기 제1엔드플레이트에는 상기 제1엔드플레이트를 관통하여 형성되는 공기 유입홀;이 형성되고, 상기 제1엔드플레이트와 마주보게 배치되고, 상기 공기 유입홀로 공기를 주입하는 공기 공급부;를 더 포함한다.
또한, 상기 구동부는 상기 연료전지스택을 중심축을 축으로 회전시킨다.
또한, 상기 구동부는, 외부로부터 전원을 공급받아 회전력을 발생시키는 전동모터; 및 상기 전동모터로부터 회전력을 전달받아 상기 연료전지스택을 회전시키는 회전부와, 상기 회전부를 회전 가능하게 지지하는 고정부를 구비하는 로터리조인트;를 포함한다.
또한, 상기 로터리조인트에 설치되고, 상기 연료전지스택으로 수소를 공급하는 수소 공급부; 및 상기 로터리조인트에 설치되고, 상기 연료전지스택으로부터 수소를 배출시키는 수소 배출부;를 포함한다.
또한, 상기 수소 공급부는, 상기 고정부를 관통하여 형성되는 제1수소공급유로; 상기 회전부를 관통하여 형성되고, 상기 제1분리판과 연결되는 제2수소공급유로; 및 상기 제1수소공급유로와 상기 제2수소공급유로의 사이에 구비되고, 상기 제1수소공급유로로 유입된 수소를 상기 제2수소공급유로로 전달하는 공급전달유로;를 포함하고, 상기 수소 배출부는, 상기 고정부를 관통하여 형성되고, 상기 제1수소공급유로와 이격되게 배치되는 제1수소배출유로; 상기 회전부를 관통하여 형성되고, 상기 제1분리판과 연결되는 제2수소배출유로; 및 상기 제1수소배출유로와 상기 제2수소배출유로의 사이에 구비되고, 상기 제2수소배출유로로 유입된 수소를 상기 제1수소배출유로로 전달하는 배출전달유로;를 포함한다.
또한, 상기 공급전달유로와 상기 배출전달유로는 상기 고정부의 내주면에 링 형태를 이루도록 형성되고, 상기 고정부의 축 방향을 따라 소정 간격 이격되게 배치된다.
또한, 상기 로터리조인트에 설치되고, 상기 연료전지스택에 구비되는 음극 집전체과 연결되는 제1집전부; 및 상기 로터리조인트에 설치되고, 상기 연료전지스택에 구비되는 양극 집전체과 연결되는 제2집전부;를 포함한다.
또한, 상기 제1집전부는, 상기 고정부에 설치되는 제1고정집전부재; 상기 회전부에 설치되고, 상기 음극 집전체와 연결되는 제1회전집전부재; 및 상기 제1고정집전부재와 상기 제1회전집전부재 사이에 구비되고, 상기 제1고정집전부재와 상기 제1회전집전부재를 전기적으로 접속시키는 제1슬립링;을 포함하고, 상기 제2집전부는, 상기 고정부에 설치되고, 상기 제1고정집전부재와 이격되게 배치되는 제2고정집전부재; 상기 회전부에 설치되고, 상기 양극 집전체와 연결되는 제2회전집전부재; 및 상기 제2고정집전부재와 상기 제2회전집전부재 사이에 구비되고, 상기 제2고정집전부재와 상기 제2회전집전부재를 전기적으로 접속시키는 제2슬립링;을 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 장치는 수소재순환장치, 열관리장치 등과 같은 별도 장치 없이 단일한 전동모터의 회전력만으로 스택 내에 발생되는 수분을 지속적으로 제거할 수 있음에 따라 제작 및 운전에 따른 비용을 절감할 수 있고, 물 넘침 현상에 따른 스택 성능의 저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지 장치는 원심력에 의해 제1분리판 및 제2분리판으로 유입된 수분을 배출할 수 있음에 따라 유로 구조를 보다 단순화시킬 수 있고, 기존 대비 분리판의 두께를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1분리판의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2분리판의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 공급부 및 수소 배출부의 구성을 개략적으로 나타내는 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1집전부와 제2집전부의 구성을 개략적으로 나타내는 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 장치의 작동 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 장치의 제1분리판에서 수분이 배출되는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 장치의 제2분리판에서 수분이 배출되는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 장치의 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(또는 접속)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(또는 구비)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 "포함(또는 구비)"할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다. 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 특정 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 그 부호들은 다른 도면을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 특정 도면에 참조 부호가 표시되지 않은 부분이 있더라도, 그 부분은 다른 도면들을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 본 출원의 도면들에 포함된 세부 구성요소들의 개수, 형상, 크기 및 크기의 상대적인 차이 등은 이해의 편의를 위해 설정된 것으로서, 실시예들을 제한하지 않으며 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 장치(1)는 연료전지스택(100), 구동부(200), 공기 공급부(300), 수소 공급부(400), 수소 배출부(500), 제1집전부(600), 제2집전부(700)를 포함한다.
연료전지스택(100)은 수소와 공기를 연료로 공급받고, 수소와 공기의 전기화학적 반응에 의해 전력을 생성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택(100)은 제1엔드플레이트(110), 제2엔드플레이트(120), 제1분리판(130), 제2분리판(140), 음극 집전체(150), 양극 집전체(160)를 포함한다.
제1엔드플레이트(110)는 연료전지스택(100)의 일측 외관을 형성하고, 후술하는 제2엔드플레이트(120)와 함께 제1분리판(130), 제2분리판(140), 음극 집전체(150), 양극 집전체(160)를 전체적으로 지지한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1엔드플레이트(110)는 대략 평판 형태를 갖도록 형성되어 연료전지스택(100)의 상단부에 배치된다. 제1엔드플레이트(110)는 볼팅 결합에 의해 후술하는 제1분리판(130), 제2분리판(140), 음극 집전체(150), 양극 집전체(160)와 일체로 체결될 수 있다.
제1엔드플레이트(110)에는 후술하는 공기 공급부(300)로부터 공급되는 공기를 연료전지스택(100)의 내부로 유입시키는 공기 유입홀(111)이 형성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 유입홀(111)은 제1엔드플레이트(110)를 상하로 관통하는 홀의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 공기 유입홀(111)은 중심축이 제1엔드플레이트(110)의 중심축과 동축상에 위치하도록 배치된다.
제2엔드플레이트(120)는 연료전지스택(100)의 타측 외관을 형성하고, 제1엔드플레이트(110)와 함께 제1분리판(130), 제2분리판(140), 음극 집전체(150), 양극 집전체(160)를 전체적으로 지지한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2엔드플레이트(120)는 대략 평판 형태를 갖도록 형성되어 연료전지스택(100)의 하단부에 배치된다. 제2엔드플레이트(120)는 볼팅 결합에 의해 후술하는 제1분리판(130), 제2분리판(140), 음극 집전체(150), 양극 집전체(160)와 일체로 체결될 수 있다. 제2엔드플레이트(120)는 중심축이 제1엔드플레이트(110)의 중심축과 일치되도록 제1엔드플레이트(110)와 동축상에 배치된다.
제2엔드플레이트(120)에는 후술하는 수소 공급부(400)로부터 공급되는 수소를 연료전지스택(100)의 내부로 유입시키는 수소 유입홀(121)과, 연료전지스택(100)으로부터 배출되는 수소 및 수분을 후술하는 수소 배출부(500)로 전달하는 수소 배출홀(122)이 형성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유입홀(121)과 수소 배출홀(122)은 제2엔드플레이트(120)를 상하로 관통하는 홀의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 수소 유입홀(121)과 수소 배출홀(122)은 공기 유입홀(111)과 동심원을 이루고, 공기 유입홀(111)보다 큰 직경을 갖는 원주 상에서 상호 이격되게 배치될 수 있다.
제1분리판(130)은 제1엔드플레이트(110)와 제2엔드플레이트(120) 사이에 배치되고, 막전극 접합체(미도시)로 수소를 공급한다. 제1분리판(130)은 내측면이 기체확산층(미도시)을 사이에 두고 막전극 접합체의 연료극과 마주보게 배치된다. 제1분리판(130)은 복수개로 구비된다. 복수개의 제1분리판(130)은 제1엔드플레이트(110)와 제2엔드플레이트(120) 사이에서 연료전지스택(100)의 축 방향을 따라 적층된다. 복수개의 제1분리판(130) 중 최하단에 위치한 제1분리판(130)은 외측면이 후술하는 음극 집전체(150)를 사이에 두고 제2엔드플레이트(120)의 내측면과 마주보게 배치된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1분리판의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1분리판(130)은 제1바디(131), 제1유로부(132), 포집유로부(133), 제1유입구(134), 제1배출구(135), 공기 통과홀(136), 공기 가스켓(137)을 포함한다.
제1바디(131)는 제1분리판(130)의 개략적인 외관을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1바디(131)는 양측으로 한 쌍의 반원형의 플랜지가 돌출된 원판의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제1바디(131)는 중심축이 제1엔드플레이트(110) 및 제2엔드플레이트(120)의 중심축과 일치되도록 제1엔드플레이트(110) 및 제2엔드플레이트(120)와 동축상에 배치될 수 있다. 제1바디(131)는 제1엔드플레이트(110) 및 제2엔드플레이트(120)와 일체로 결합되어 연료전지스택(100)의 회전 시 제1엔드플레이트(110) 및 제2엔드플레이트(120)와 함께 중심축을 축으로 회전된다.
제1유로부(132)는 제1바디(131)의 일면에 배치되고, 후술하는 제1유입구(134)를 통해 제1바디(131)로 유입되는 수소 및 후술하는 제2분리판(140)으로부터 막전극 접합체를 통해 역확산되어 제1바디(131)로 배출되는 수분의 유동을 안내한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1유로부(132)는 막전극 접합체와 마주보는 제1바디(131)의 내측면으로부터 제1바디(131)의 축 방향을 따라 오목하게 함몰 형성되고, 일측이 개구된 원통형의 챔버의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제1유로부(132)의 개구된 측은 막전극 접합체의 연료극에 배치된 기체확산층과 마주보게 배치된다.
포집유로부(133)는 제1바디(131)의 회전에 연동되어 제1유로부(132)로 유입된 수분을 포집한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 포집유로부(133)는 제1바디(131)의 축 방향을 따라 제1유로부(132)의 내측으로 오목하게 함몰 형성되는 홈의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 이에 따라 제1유로부(132)와 포집유로부(133)는 제1바디(131)의 축 방향을 따라 대략 계단 형태의 단면을 이루도록 형성된다. 포집유로부(133)는 대략 링 형태를 갖도록 제1유로부(132)의 원주 방향을 따라 연장된다. 포집유로부(133)는 제1유로부(132)와 동심원을 이루도록 배치된다. 포집유로부(133)는 제1유로부(132)의 가장자리 영역에 배치된다. 이에 따라 포집유로부(133)는 제1바디(131)의 회전 시 원심력에 제1유로부(132)의 중앙 영역으로부터 제1유로부(132)의 가장자리 영역으로 이동되는 수분을 원활하게 포집할 수 있다. 포집유로부(133)는 후술하는 제1배출구(135)와 연결되어 포집된 수분을 제1배출구(135)로 전달한다.
제1유입구(134)는 제1유로부(132)의 일측과 연결되고, 제1유로부(132)로 수소를 공급한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1유입구(134)는 제1바디(131)를 상하로 관통하는 홀의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제1유입구(134)는 제1유로부(132)의 일측 외주면으로부터 제1바디(131)의 반경 방향으로 연장되는 유로에 의해 제1유로부(132)의 일측과 연통된다. 제1유입구(134)는 제2엔드플레이트(120)를 관통하여 형성되는 수소 유입홀(121)과 연통된다. 제1유입구(134)는 수소 유입홀(121)을 통해 수소를 전달받고, 전달받은 수소를 제1유로부(132)로 전달한다.
제1배출구(135)는 제1유로부(132)의 타측과 연결되고, 제1유로부(132)와 포집유로부(133)로부터 수소 및 수분을 배출한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1배출구(135)는 제1바디(131)를 상하로 관통하는 홀의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제1유입구(134)와 제1배출구(135)는 제1유로부(132)의 원주 방향을 따라 소정 간격 이격되게 배치된다. 일 예로, 제1유입구(134)와 제1배출구(135)는 제1바디(131)로부터 돌출되는 한 쌍의 플랜지에 각각 배치될 수 있다. 제1배출구(135)는 제1유로부(132)의 타측 외주면으로부터 제1바디(131)의 반경 방향으로 연장되는 유로에 의해 제1유로부(132)의 타측과 연통된다. 제1배출구(135)는 제2엔드플레이트(120)를 관통하여 형성되는 수소 배출홀(122)과 연통된다. 제1배출구(135)는 제1유로부(132)와 포집유로부(133)로부터 배출되는 수소 및 수분을 수소 배출홀(122)로 전달한다.
공기 통과홀(136)은 제1바디(131)에 공기가 통과할 수 있는 경로를 마련한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 통과홀(136)은 제1바디(131)를 상하로 관통하는 홀의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 공기 통과홀(136)은 중심축이 제1바디(131)의 중심축과 일치되도록 배치된다. 공기 통과홀(136)은 제1엔드플레이트(110)를 관통하여 형성되는 공기 유입홀(111)과 동축상에 배치되고, 공기 유입홀(111)과 연통된다.
공기 가스켓(137)은 공기 통과홀(136)을 통과하는 공기가 제1유로부(132)로 유입되는 것을 차단한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 가스켓(137)은 중공형의 링 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 공기 가스켓(137)은 중심축이 공기 통과홀(136)의 중심축과 일치되도록 배치된다. 공기 가스켓(137)의 내경은 공기 통과홀(136)의 직경보다 작게 형성된다. 공기 가스켓(137)은 고무, 실리콘 등 탄성 변형 가능한 재질로 형성된다. 공기 가스켓(137)은 상하 양측면이 각각 제1유로부(132)의 바닥면과 막전극 접합체의 연료극에 배치된 기체확산층에 밀착되어 공기 통과홀(136)을 통과하는 공기가 제1유로부(132)로 유입되는 것을 차단한다.
제2분리판(140)은 제1엔드플레이트(110)와 제2엔드플레이트(120) 사이에 배치되고, 막전극 접합체(미도시)로 공기를 공급한다. 제2분리판(140)은 복수개로 구비된다. 복수개의 제2분리판(140)은 제1엔드플레이트(110)와 제2엔드플레이트(120) 사이에서 연료전지스택(100)의 축 방향을 따라 적층된다. 이 경우, 각각의 제2분리판(140)은 이웃하는 한 쌍의 제1분리판(130)과 상호 교번되게 배치된다. 제2분리판(140)의 내측면은 기체확산층(미도시)을 사이에 두고 막전극 접합체의 공기극과 마주보게 배치된다. 제2분리판(140)의 외측면은 이웃하는 제1분리판(130)의 외측면과 접촉된다. 제1분리판(130)과 제2분리판(140)은 전기적으로 통전 가능한 재질로 형성된다. 이에 따라 제1분리판(130)과 제2분리판(140)은 막전극 접합체에서의 전기화학적 반응에 의해 발생되는 음전하와 양전하를 후술하는 음극 집전체(150) 및 양극 집전체(160)로 전달할 수 있다. 복수개의 제2분리판(140) 중 최상단에 위치한 제2분리판(140)은 외측면이 후술하는 양극 집전체(150)를 사이에 두고 제1엔드플레이트(110)의 내측면과 마주보게 배치된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2분리판의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2분리판(140)은 제2바디(141), 돌기부(142), 제2유로부(143), 제2유입구(144), 제2배출구(145), 수소 통과홀(146), 제1수소 가스켓(147), 제2수소 가스켓(148)을 포함한다.
제2바디(141)는 제2분리판(140)의 개략적인 외관을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2바디(141)는 양측으로 한 쌍의 반원형의 플랜지가 돌출된 원판의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제2바디(141)는 중심축이 제1엔드플레이트(110) 및 제2엔드플레이트(120)의 중심축과 일치되도록 제1엔드플레이트(110) 및 제2엔드플레이트(120)와 동축상에 배치될 수 있다. 제2바디(141)는 제1엔드플레이트(110) 및 제2엔드플레이트(120)와 일체로 결합되어 연료전지스택(100)의 회전 시 제1엔드플레이트(110) 및 제2엔드플레이트(120)와 함께 중심축을 축으로 회전된다.
돌기부(142)는 제2바디(141)의 일면으로부터 돌출된다. 돌기부(142)는 후술하는 제2유로부(143)를 형성하고, 제2유로부(143)로 유입된 공기 및 수분이 보다 원활하게 제2유로부(143)의 면적 전체에 걸쳐 확산되도록 유도하는 구성으로서 기능한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 돌기부(142)는 막전극 접합체와 마주보는 제2바디(141)의 내측면으로부터 막전극 접합체를 향해 수직하게 돌출되는 막대의 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 돌기부(142)의 상단부는 막전극 접합체의 공기극에 배치된 기체확산층에 접촉되된다. 돌기부(142)는 복수개로 구비될 수 있다. 복수개의 돌기부(142)는 제2바디(141) 상에서 다양한 패턴을 이루며 상호 이격되게 배치될 수 있다.
제2유로부(143)는 제2바디(141)의 일면에 배치되고, 후술하는 제2유입구(144)를 통해 유입되는 공기 및 막전극 접합체에서의 전기화학적 반응에 의해 발생된 수분의 유동을 안내한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2유로부(143)는 각각의 돌기부(142)의 사이에 배치되고, 돌기부(142)의 높이에 대응되는 높이를 갖는 빈 공간인 것으로 예시될 수 있다.
제2유입구(144)는 제2유로부(143)의 일측과 연결되고, 제2유로부(143)로 공기를 공급한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2유입구(144)는 제2바디(141)를 제2바디(141)의 축 방향 즉, 상하로 관통하는 홀의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제2유입구(144)는 중심축이 제2바디(141)의 중심축과 일치되도록 배치된다. 제2유입구(144)는 제1엔드플레이트(110)를 관통하여 형성되는 공기 유입홀(111)과 동축상에 배치되고, 공기 유입홀(111)과 연통된다. 제2유입구(144)는 외주면이 제2유로부(143)의 내주면과 연통되고, 공기 유입홀(111)을 통해 공급되는 공기를 제2유로부(143)로 전달한다.
제2배출구(145)는 제2유로부(143)의 타측과 연결되고, 제2유로부(143)로부터 공기 및 수분을 배출한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2배출구(145)는 제2바디(141)를 제2바디(141)의 반경 방향으로 관통하는 홀의 형태를 갖도록 형성된다. 제2배출구(145)는 내주면이 제2유로부(143)의 외주면과 연통되고, 외주면이 연료전지스택(100)의 외부 공간과 연통된다. 제2배출구(145)는 제2바디(141)의 회전 시 원심력에 의해 제2유로부(143)의 중앙 영역으로부터 제2유로부(143)의 가장자리 영역으로 이동되는 공기 및 수분을 외부로 배출한다. 제2배출구(145)는 복수개로 구비되어 제2바디(141)의 원주 방향을 따라 상호 이격되게 배치된다.
수소 통과홀(146)은 제2바디(141)에 수소가 통과할 수 있는 경로를 마련한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 통과홀(146)은 상하로 관통하는 홀의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 수소 통과홀(146)은 한 쌍으로 구비되어 제2바디(141)의 양측에 각각 배치될 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 수소 통과홀(146)은 제2바디(141)로부터 돌출되는 한 쌍의 플랜지에 각각 배치될 수 있다. 한 쌍의 수소 통과홀(146) 중 어느 하나의 수소 통과홀(146)은 제1유입구(134)와 동축상에 배치되고, 제1유입구(134)와 연통된다. 한 쌍의 수소 통과홀(146) 중 나머지 하나의 수소 통과홀(146)은 제1배출구(135)와 동축상에 배치되고, 제1배출구(135)와 연통된다.
제1수소 가스켓(147)은 수소 통과홀(146)을 통과하는 공기가 제2유로부(143)로 유입되는 것을 차단한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1수소 가스켓(147)은 중공형의 링 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제1수소 가스켓(147)은 한 쌍으로 구비된다. 한 쌍의 제1수소 가스켓(147)은 중심축이 각각 한 쌍의 수소 통과홀(146)의 중심축과 일치되도록 배치된다. 제1수소 가스켓(147)의 내경은 공기 통과홀(136)의 직경보다 작게 형성된다. 제1수소 가스켓(147)은 고무, 실리콘 등 탄성 변형 가능한 재질로 형성된다. 제1수소 가스켓(147)은 상하 양측면이 각각 제2바디(141)의 내측면과 막전극 접합체의 공기극에 배치된 기체확산층에 밀착되어 수소 통과홀(146)을 통과하는 공기가 제1유로부(132)로 유입되는 것을 차단한다. 이 경우, 제1수소 가스켓(147)은 기체확산층에 안정적으로 밀착될 수 있도록 돌기부(142)의 높이에 대응되는 높이를 갖도록 형성된다.
제2수소 가스켓(148)은 수소 통과홀(146)을 통과하는 공기가 제1분리판(130)의 외측면과 제2분리판(140)의 외측면 사이로 유입되는 것을 차단한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2수소 가스켓(148)은 중공형의 링 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제2수소 가스켓(148)은 한 쌍으로 구비된다. 한 쌍의 제2수소 가스켓(148)은 중심축이 각각 한 쌍의 수소 통과홀(146)의 중심축과 일치되도록 배치된다. 제2수소 가스켓(148)의 내경은 공기 통과홀(136)의 직경보다 작게 형성된다. 제2수소 가스켓(148)은 고무, 실리콘 등 탄성 변형 가능한 재질로 형성된다. 제2수소 가스켓(148)은 상하 양측면이 각각 제1바디(131)의 외측면과 제2바디(141)의 외측면에 밀착되어 수소 통과홀(146)을 통과하는 공기가 제1분리판(130)의 외측면과 제2분리판(140)의 외측면 사이로 유입되는 것을 차단한다.
음극 집전체(150)는 연료전지스택(100)의 연료극으로부터 발생한 음전하를 후술하는 제1집전부(600)로 전달한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 집전체(150)는 통전 가능한 재질로 이루어진 평판의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 음극 집전체(150)는 제2엔드플레이트(120)의 내측면과, 복수개의 제1분리판(130) 중 최하단에 배치된 제1분리판(130)의 외측면 사이에 배치된다. 음극 집전체(150)는 제1분리판(130)과 전기적으로 연결되고, 제1분리판(130)을 통해 연료전지스택(100)의 연료극으로부터 발생한 음전하를 전달받는다.
양극 집전체(160)는 연료전지스택(100)의 공기극으로부터 발생한 양전하를 후술하는 제2집전부(700)로 전달한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 집전체(160)는 통전 가능한 재질로 이루어진 평판의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 양극 집전체(160)는 제1엔드플레이트(110)의 내측면과, 복수개의 제2분리판(140) 중 최상단에 배치된 제2분리판(140)의 외측면 사이에 배치된다. 양극 집전체(160)는 제2분리판(140)과 전기적으로 연결되고, 제2분리판(140)을 통해 연료전지스택(100)의 공기극으로부터 발생한 양전하를 전달받는다.
구동부(200)는 연료전지스택(100)에서 발생되는 수분이 외부로 배출되도록 연료전지스택(100)을 이동시킨다. 보다 구체적으로, 구동부(200)는 연료전지스택(100)에서 발생되는 수분이 원심력에 의해 외부로 배출되도록 연료전지스택(100)을 중심축을 축으로 회전시키는 구성으로서 기능한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구동부(200)는 전동모터(210), 로터리조인트(220)를 포함한다.
전동모터(210)는 외부로부터 전원을 공급받아 회전력을 발생시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전동모터(210)는 스테이터 및 로터의 전자기적 상호 작용에 의해 회전력을 발생시키는 다양한 종류의 모터로 예시될 수 있다. 전동모터(210)는 연료전지스택(100)의 하측에서 제2엔드플레이트(120)와 소정 간격 이격되어 마주보게 배치된다. 전동모터(210)는 중심축이 연료전지스택(100)의 중심축과 일치되도록 연료전지스택(100)과 동축상에 배치될 수 있다.
로터리조인트(220)는 전동모터(210)로부터 발생되는 회전력을 연료전지스택으로 전달한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로터리조인트(220)는 고정부(221), 회전부(222)를 포함한다.
고정부(221)는 전동모터(210)의 동작 시 회전하지 않고 고정되는 비회전요소로서 기능한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고정부(221)는 중공형의 원통 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 고정부(221)는 전동모터(210)와 제2엔드플레이트(120)의 사이에 배치된다. 고정부(221)는 전동모터(210) 및 제2엔드플레이트(120)와 동축상에 배치된다. 고정부(221)는 외부에 마련된 별도의 고정물(미도시)에 고정될 수 있다.
회전부(222)는 전동모터(210)의 동작 시 고정부(221)에 대해 상대 회전되는 회전요소로서 기능한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 회전부(222)는 고정부(221)와 제2엔드플레이트(120)의 사이에 배치된다. 회전부(222)는 고정부(221)와 동축상에 배치된다. 회전부(222)의 하단부는 고정부(221)의 내부로 삽입되고, 고정부(221)의 내부에서 중심축을 축으로 회전 가능하게 지지된다. 회전부(222)의 하단부는 전동모터(210)의 출력축과 연결되어 전동모터(210)의 동작 시 중심축을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전된다. 회전부(222)의 상단부는 제2엔드플레이트(120)의 하측면과 볼팅 등에 의해 일체로 연결된다. 이에 따라 회전부(222)는 전동모터(210)로부터 회전력을 전달받아 연료전지스택을 중심축을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시킬 수 있다.
공기 공급부(300)는 연료전지스택(100)으로 공기를 공급한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 공급부(300)는 연료전지스택(100)의 상방에서 제1엔드플레이트(110)와 소정 간격 이격되어 마주보게 배치된다. 공기 공급부(300)는 외부로부터 전원을 공급받아 제1엔드플레이트(110)를 관통하여 형성되는 공기 유입홀(111)로 공기를 주입한다. 이러한 공기 공급부(300)는 송풍팬, 블로워 등 다양한 종류의 공기 공급수단으로 예시될 수 있다.
수소 공급부(400)는 로터리조인트(220)에 설치되고, 연료전지스택(100)으로 수소를 공급한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 공급부 및 수소 배출부의 구성을 개략적으로 나타내는 확대도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 공급부(400)는 제1수소공급유로(410), 제2수소공급유로(420), 공급전달유로(430)를 포함한다.
제1수소공급유로(410)는 고정부(221)를 관통하여 형성되는 관의 형태를 갖도록 형성된다. 제1수소공급유로(410)는 일측이 고정부(221)의 외측으로 돌출되고, 타측이 고정부(221)를 관통할 수 있다. 제1수소공급유로(410)의 일측은 수소 펌프(미도시) 등 다양한 종류의 수소 공급수단과 연결되어 수소를 공급받을 수 있다. 제1수소공급유로(410)에는 제1수소공급유로(410)를 개방 또는 폐쇄하며 수소의 공급 상태를 조절할 수 있는 다양한 종류의 전자밸브(미도시)가 설치될 수 있다. 제1수소공급유로(410)의 타측은 고정부(221)의 외주면을 관통하여 고정부(221)의 내부 공간과 연통된다.
제2수소공급유로(420)는 회전부(222)를 관통하여 형성되는 관의 형태를 갖도록 형성된다. 제2수소공급유로(420)는 대략 "ㄴ"자 형태의 단면을 갖도록 형성되어 일측이 회전부(222)의 외주면을 관통하고, 타측이 회전부(222)의 상단부를 관통할 수 있다. 제2수소공급유로(420)의 타측은 제2엔드플레이트(120)를 관통하여 형성된 수소 유입홀(121)과 연통된다. 제2수소공급유로(420)는 전동모터(210)의 동작 시 회전부(222)와 함께 회전되며 제1수소공급유로(410)에 대한 상대 위치가 가변된다.
공급전달유로(430)는 제1수소공급유로(410)와 제2수소공급유로(420)의 사이에 구비되고, 제1수소공급유로(410)로 유입된 수소를 제2수소공급유로(420)로 전달한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 공급전달유로(430)는 고정부(221)의 내주면으로부터 외주면을 향해 오목하게 함몰 형성되는 홈의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 공급전달유로(430)는 고정부(221)의 원주 방향을 따라 연장되어 대략 링 형태를 이루도록 형성된다. 공급전달유로(430)는 외주면이 제1수소공급유로(410)의 타측과 연통되고, 내주면이 제2수소공급유로(420)의 일측과 연통된다. 이에 따라 공급전달유로(430)는 제1수소공급유로(410) 및 제2수소공급유로(420)를 상시 연결된 상태로 유지함으로써 제2수소공급유로(420)가 제1수소공급유로(410)에 대해 상대 회전되더라도 제1수소공급유로(410)로 유입된 수소를 제2수소공급유로(420)로 연속적으로 전달할 수 있다.
수소 배출부(500)는 로터리조인트(220)에 설치되고, 연료전지스택(100)으로부터 수소 및 수분을 배출시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 배출부(500)는 제1수소배출유로(510), 제2수소배출유로(520), 배출전달유로(530)를 포함한다.
제1수소배출유로(510)는 고정부(221)를 관통하여 형성되는 관의 형태를 갖도록 형성된다. 제1수소배출유로(510)는 제1수소공급유로(410)와 고정부(221)의 원주 방향으로 소정 간격 이격되게 배치된다. 제1수소배출유로(510)는 일측이 고정부(221)의 외측으로 돌출되고, 타측이 고정부(221)를 관통할 수 있다. 제1수소배출유로(510)의 일측은 수소 탱크(미도시) 등 다양한 종류의 수소 저장수단과 연결되어 연료전지스택(100)으로부터 배출되는 수소 및 수분을 수소 저장수단으로 전달할 수 있다. 제1수소배출유로(510)에는 제1수소배출유로(510)를 개방 또는 폐쇄하며 수소 및 수분의 배출 상태를 조절할 수 있는 다양한 종류의 전자밸브(미도시)가 설치될 수 있다. 제1수소배출유로(510)의 타측은 고정부(221)의 외주면을 관통하여 고정부(221)의 내부 공간과 연통된다.
제2수소배출유로(520)는 회전부(222)를 관통하여 형성되는 관의 형태를 갖도록 형성된다. 제2수소배출유로(520)는 대략 "ㄴ"자 형태의 단면을 갖도록 형성되어 일측이 회전부(222)의 외주면을 관통하고, 타측이 회전부(222)의 상단부를 관통할 수 있다. 제2수소배출유로(520)의 타측은 제2엔드플레이트(120)를 관통하여 형성된 수소 배출홀(122)과 연통된다. 제2수소배출유로(520)는 전동모터(210)의 동작 시 회전부(222)와 함께 회전되며 제1수소배출유로(510)에 대한 상대 위치가 가변된다.
배출전달유로(530)는 제1수소배출유로(510)와 제2수소배출유로(520)의 사이에 구비되고, 제2수소배출유로(520)로 유입된 수소를 상기 제1수소배출유로(510)로 전달한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배출전달유로(530)는 고정부(221)의 내주면으로부터 외주면을 향해 오목하게 함몰 형성되는 홈의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 배출전달유로(530)는 고정부(221)의 원주 방향을 따라 연장되어 대략 링 형태를 이루도록 형성된다. 배출전달유로(530)는 공급전달유로(430)과 고정부(221)의 축 방향을 따라 소정 간격 이격되게 배치된다. 배출전달유로(530)는 외주면이 제1수소배출유로(510)의 타측과 연통되고, 내주면이 제2수소배출유로(520)의 일측과 연통된다. 이에 따라 공급전달유로(430)는 제1수소배출유로(510)와 제2수소배출유로(520)를 상시 연결된 상태로 유지함으로써 제2수소배출유로(520)가 제1수소배출유로(510)에 대해 상대 회전되더라도 제2수소배출유로(520)로 유입된 수소를 제1수소배출유로(510)로 연속적으로 전달할 수 있다.
제1집전부(600)는 로터리조인트(220)에 설치되고, 음극 집전체(150)과 연결된다. 즉, 제1집전부(600)는 음극 집전체(150)로 전달된 음전하를 외부의 부하 등으로 전달하기 위한 구성으로서 기능한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1집전부와 제2집전부의 구성을 개략적으로 나타내는 확대도이다.
도 1, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1집전부(600)는 제1고정집전부재(610), 제1회전집전부재(620), 제1슬립링(630)을 포함한다.
제1고정집전부재(610)는 고정부(221)에 설치되고, 외부의 부하와 연결된다. 제1고정집전부재(610)는 연료전지스택(100)으로부터 발생된 음전하를 외부의 부하에 최종적으로 전달하는 구성으로서 기능한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1고정집전부재(610)는 대략 판의 형태를 갖도록 형성되어 고정부(221)의 외주면으로부터 돌출된다. 제1고정집전부재(610)는 금속 등 전기적으로 통전 가능한 재질로 형성된다. 제1고정집전부재(610)는 도선, 케이블 등에 의해 외부의 부하와 전기적으로 연결된다.
제1회전집전부재(620)는 회전부(222)에 설치되고, 음극 집전체(150)와 연결된다. 제1회전집전부재(620)는 연료전지스택(100)으로부터 발생된 음전하를 음극 집전체(150)로부터 전달받는 구성으로서 기능한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1회전집전부재(620)는 대략 판의 형태를 갖도록 형성되어 회전부(222)의 상단부 외주면으로부터 돌출된다. 제1회전집전부재(620)는 금속 등 전기적으로 통전 가능한 재질로 형성된다. 제1회전집전부재(620)는 도선, 케이블 등에 의해 음극 집전체(150)와 전기적으로 연결된다. 제1회전집전부재(620)는 전동모터(210)의 동작 시 회전부(222)와 함께 회전되며 제1고정집전부재(610)에 대한 상대 위치가 가변된다.
제1슬립링(630)은 제1고정집전부재(610)와 제1회전집전부재(620) 사이에 구비되고, 제1고정집전부재(610)와 제1회전집전부재(620)를 전기적으로 접속시킨다. 즉, 제1슬립링(630)은 음극 집전체(150)로부터 제1회전집전부재(620)로 전달된 음전하를 제1고정집전부재(610)로 전달하는 구성으로서 기능한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1슬립링(630)은 고정부(221)의 내부에 배치되고, 서로 상대 회전하는 제1고정집전부재(610)와 제1회전집전부재(620)의 사이에서 전력 또는 신호를 전송할 수 있는 브러시 슬립링, 수은 슬립링 등 다양한 종류의 슬립링으로 예시될 수 있다.
제2집전부(700)는 로터리조인트(220)에 설치되고, 양극 집전체(160)와 연결된다. 즉, 제2집전부(700)는 양극 집전체(160)로 전달된 양전하를 외부의 부하 등으로 전달하기 위한 구성으로서 기능한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2집전부(700)는 제2고정집전부재(710), 제2회전집전부재(720), 제2슬립링(730)을 포함한다.
제2고정집전부재(710)는 고정부(221)에 설치되고, 외부의 부하와 연결된다. 제2고정집전부재(710)는 연료전지스택(100)으로부터 발생된 양전하를 외부의 부하에 최종적으로 전달하는 구성으로서 기능한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2고정집전부재(710)는 대략 판의 형태를 갖도록 형성되어 고정부(221)의 외주면으로부터 돌출된다. 제2고정집전부재(710)는 고정부(221)의 원주 방향을 따라 제1고정집전부재(610)와 소정 간격 이격되게 배치된다. 제2고정집전부재(710)는 금속 등 전기적으로 통전 가능한 재질로 형성된다. 제2고정집전부재(710)는 도선, 케이블 등에 의해 외부의 부하와 전기적으로 연결된다.
제2회전집전부재(720)는 회전부(222)에 설치되고, 양극 집전체(160)와 연결된다. 제2회전집전부재(720)는 연료전지스택(100)으로부터 발생된 양전하를 양극 집전체(160)로부터 전달받는 구성으로서 기능한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2회전집전부재(720)는 대략 판의 형태를 갖도록 형성되어 회전부(222)의 상단부 외주면으로부터 돌출된다. 제2회전집전부재(720)는 회전부(222)의 원주 방향을 따라 제2회전집전부재(720)와 소정 간격 이격되게 배치된다. 제2회전집전부재(720)는 금속 등 전기적으로 통전 가능한 재질로 형성된다. 제2회전집전부재(720)는 도선, 케이블 등에 의해 양극 집전체(160)와 전기적으로 연결된다. 제2회전집전부재(720)는 전동모터(210)의 동작 시 회전부(222)와 함께 회전되며 제2고정집전부재(710)에 대한 상대 위치가 가변된다.
제2슬립링(730)은 제2고정집전부재(710)와 제2회전집전부재(720) 사이에 구비되고, 제2고정집전부재(710)와 제2회전집전부재(720)를 전기적으로 접속시킨다. 즉, 제2슬립링(730)은 양극 집전체(160)로부터 제2회전집전부재(720)로 전달된 양전하를 제2고정집전부재(710)로 전달하는 구성으로서 기능한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2슬립링(730)은 고정부(221)의 내부에 배치되고, 서로 상대 회전하는 제2고정집전부재(710)와 제2회전집전부재(720)의 사이에서 전력 또는 신호를 전송할 수 있는 브러시 슬립링, 수은 슬립링 등 다양한 종류의 슬립링으로 예시될 수 있다. 제2슬립링(730)은 제1슬립링(630)과 고정부(221)의 축 방향을 따라 소정 간격 이격되게 배치된다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 장치의 작동 과정을 상세하게 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 장치의 작동 상태를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 장치의 제1분리판에서 수분이 배출되는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 장치의 제2분리판에서 수분이 배출되는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 제1수소공급유로(410)를 통해 공급되는 수소(H)는 공급전달유로(430), 제2수소공급유로(420) 및 수소 유입홀(121)을 순차적으로 거쳐 제1유입구(134)로 유입되고, 제1유입구(134)를 통해 제1유로부(132)의 내부로 전달된다. 이 경우, 제1수소배출유로(510)는 전자밸브에 의해 폐쇄된 상태로 유지될 수 있다.
공기 공급부(300)로부터 공급되는 공기(G)는 공기 유입홀(111)을 통해 연료전지스택(100)의 내부로 주입되고, 제2유입구(144)를 통해 제2유로부(143)의 내부로 전달된다.
막전극 접합체는 제1유로부(132)의 내부로 전달된 수소(H)와 제2유로부(143)의 내부로 전달된 공기(G)의 전기 화학적 반응에 의해 전력을 생성한다.
수소(H)와 공기(G)의 전기 화학적 반응에 의해 생성된 음전하는 제1분리판(130) 및 제2분리판(140)을 통해 음극 집전체(150)로 전달되고, 제1회전집전부재(620), 제1슬립링(630), 제1고정집전부재(610)를 순차적으로 거쳐 외부의 부하로 전달된다.
또한, 수소(H)와 공기(G)의 전기 화학적 반응에 의해 생성된 양전하는 제1분리판(130) 및 제2분리판(140)을 통해 양극 집전체(160)로 전달되고, 제2회전집전부재(720), 제2슬립링(730), 제2고정집전부재(710)를 순차적으로 거쳐 외부의 부하로 전달된다.
한편, 수소(H)와 공기(G)의 전기 화학적 반응이 지속됨에 따라, 제2유로부(143)에는 수분(W)이 축적되고, 제2유로부(143)에 축적된 수분(W)의 일부는 막전극 접합체 측으로 역확산되어 제1유로부(132)로 유입된다.
이후, 전동모터(210)가 동작됨에 따라, 회전부(222)는 연료전지스택(100)을 중심축을 축으로 회전시킨다.
제1분리판(130)이 중심축을 축으로 회전됨에 따라, 제1유로부(132)로 유입된 수분(W)은 원심력에 의해 제1유로부(132)의 중앙 영역으로부터 가장자리 영역으로 이동되고, 포집유로부(133)로 포집된다.
일정 시간 경과 후 제1수소배출유로(510)가 전자밸브에 의해 개방됨에 따라, 제1유로부(132) 내부의 수소(H)와, 포집유로부(133)로 포집된 수분(W)은 제1배출구(135)를 통해 제1유로부(132)의 외부로 배출된다.
제1유로부(132)의 외부로 배출된 수소(H) 및 수분(W)은 수소 배출홀(122)을 통해 제2수소배출유로(520)로 전달된다.
제2수소배출유로(520)는 회전부(222)와 함께 회전되며 배출전달유로(530)로 수소(H) 및 수분(W)을 전달하고, 배출전달유로(530)로 전달된 수소(H) 및 수분(W) 제1수소배출유로(510)를 통해 외부로 배출된다.
또한, 제2분리판(140)이 중심축을 축으로 회전됨에 따라 제2유로부(143)로 유입된 수분(W)은 원심력에 의해 제2유로부(143)의 중앙 영역으로부터 가장자리 영역으로 이동된다.
이후, 제2유로부(143)의 가장자리 영역으로 이동된 수분(W)은 제2배출구(145)를 통해 연료전지스택(100)의 외부 공간으로 배출된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1 : 연료 전지 장치 100 : 연료전지스택
110 : 제1엔드플레이트 111 : 공기 유입홀
120 : 제2엔드플레이트 121 : 수소 유입홀
122 : 수소 배출홀 130 : 제1분리판
131 : 제1바디 132 : 제1유로부
133 : 포집유로부 134 : 제1유입구
135 : 제1배출구 136 : 공기 통과홀
137 : 공기 가스켓 140 : 제2분리판
141 : 제2바디 142 : 돌기부
143 : 제2유로부 144 : 제2유입구
145 : 제2배출구 146 : 수소 통과홀
147 : 제1수소 가스켓 148 : 제2수소 가스켓
150 : 음극 집전체 160 : 양극 집전체
200 : 구동부 210 : 전동모터
220 : 로터리조인트 221 : 고정부
222 : 회전부 300 : 공기 공급부
400 : 수소 공급부 410 : 제1수소공급유로
420 : 제2수소공급유로 430 : 공급전달유로
500 : 수소 배출부 510 : 제1수소배출유로
520 : 제2수소배출유로 530 : 배출전달유로
600 : 제1집전부 610 : 제1고정집전부재
620 : 제1회전집전부재 630 : 제1슬립링
700 : 제2집전부 710 : 제2고정집전부재
720 : 제2회전집전부재 730 : 제2슬립링

Claims (17)

  1. 수소와 공기를 연료로 공급받아 전력을 생성하는 연료전지스택; 및
    상기 연료전지스택에서 발생되는 수분이 외부로 배출되도록 상기 연료전지스택을 이동시키는 구동부;를 포함하고,
    상기 연료전지스택은, 제1엔드플레이트;
    상기 제1엔드플레이트와 이격되게 배치되고, 상기 구동부와 연결되는 제2엔드플레이트;
    상기 제1엔드플레이트와 상기 제2엔드플레이트 사이에 배치되고, 막전극 접합체로 수소를 공급하는 제1분리판; 및
    상기 제1분리판과 상호 교번되게 배치되고, 상기 막전극 접합체로 공기를 공급하는 제2분리판;을 포함하고,
    상기 제1분리판은, 제1바디;
    상기 제1바디의 일면에 배치되는 제1유로부;
    상기 제1바디의 회전에 연동되어 상기 제1유로부로 유입된 수분을 포집하는 포집유로부;
    상기 제1유로부의 일측과 연결되고, 상기 제1유로부로 수소를 공급하는 제1유입구; 및
    상기 제1유로부의 타측과 연결되고, 상기 제1유로부와 상기 포집유로부로부터 수소 및 수분을 배출하는 제1배출구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1유입구와 상기 제1배출구는 상기 제1유로부의 원주 방향을 따라 소정 간격 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 포집유로부는 상기 제1유로부의 내측으로 오목하게 함몰 형성되고, 상기 제1유로부의 가장자리 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 포집유로부는 상기 제1유로부와 동심원을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  7. 수소와 공기를 연료로 공급받아 전력을 생성하는 연료전지스택; 및
    상기 연료전지스택에서 발생되는 수분이 외부로 배출되도록 상기 연료전지스택을 이동시키는 구동부;를 포함하고,
    상기 연료전지스택은, 제1엔드플레이트;
    상기 제1엔드플레이트와 이격되게 배치되고, 상기 구동부와 연결되는 제2엔드플레이트;
    상기 제1엔드플레이트와 상기 제2엔드플레이트 사이에 배치되고, 막전극 접합체로 수소를 공급하는 제1분리판; 및
    상기 제1분리판과 상호 교번되게 배치되고, 상기 막전극 접합체로 공기를 공급하는 제2분리판;을 포함하고,
    상기 제2분리판은, 제2바디;
    상기 제2바디의 일면으로부터 돌출되는 복수개의 돌기부;
    각각의 상기 돌기부의 사이에 배치되는 제2유로부;
    상기 제2유로부의 일측과 연결되고, 상기 제2유로부로 공기를 공급하는 제2유입구; 및
    상기 제2유로부의 타측과 연결되고, 상기 제2유로부로부터 공기 및 수분을 배출하는 제2배출구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제2유입구는 상기 제2바디를 상기 제2바디의 축 방향으로 관통하고, 상기 제2유로부의 내주면과 연통되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제2배출구는 상기 제2바디를 상기 제2바디의 반경 방향으로 관통하고, 상기 제2유로부의 외주면과 연통되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  10. 제 1항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 제1엔드플레이트에는 상기 제1엔드플레이트를 관통하여 형성되는 공기 유입홀;이 형성되고,
    상기 제1엔드플레이트와 마주보게 배치되고, 상기 공기 유입홀로 공기를 주입하는 공기 공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  11. 제 1항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 연료전지스택을 중심축을 축으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 구동부는,
    외부로부터 전원을 공급받아 회전력을 발생시키는 전동모터; 및
    상기 전동모터로부터 회전력을 전달받아 상기 연료전지스택을 회전시키는 회전부와, 상기 회전부를 회전 가능하게 지지하는 고정부를 구비하는 로터리조인트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 로터리조인트에 설치되고, 상기 연료전지스택으로 수소를 공급하는 수소 공급부; 및
    상기 로터리조인트에 설치되고, 상기 연료전지스택으로부터 수소를 배출시키는 수소 배출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 수소 공급부는,
    상기 고정부를 관통하여 형성되는 제1수소공급유로;
    상기 회전부를 관통하여 형성되고, 상기 제1분리판과 연결되는 제2수소공급유로; 및
    상기 제1수소공급유로와 상기 제2수소공급유로의 사이에 구비되고, 상기 제1수소공급유로로 유입된 수소를 상기 제2수소공급유로로 전달하는 공급전달유로;를 포함하고,
    상기 수소 배출부는,
    상기 고정부를 관통하여 형성되고, 상기 제1수소공급유로와 이격되게 배치되는 제1수소배출유로;
    상기 회전부를 관통하여 형성되고, 상기 제1분리판과 연결되는 제2수소배출유로; 및
    상기 제1수소배출유로와 상기 제2수소배출유로의 사이에 구비되고, 상기 제2수소배출유로로 유입된 수소를 상기 제1수소배출유로로 전달하는 배출전달유로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 공급전달유로와 상기 배출전달유로는 상기 고정부의 내주면에 링 형태를 이루도록 형성되고, 상기 고정부의 축 방향을 따라 소정 간격 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 로터리조인트에 설치되고, 상기 연료전지스택에 구비되는 음극 집전체과 연결되는 제1집전부; 및
    상기 로터리조인트에 설치되고, 상기 연료전지스택에 구비되는 양극 집전체과 연결되는 제2집전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 제1집전부는,
    상기 고정부에 설치되는 제1고정집전부재;
    상기 회전부에 설치되고, 상기 음극 집전체와 연결되는 제1회전집전부재; 및
    상기 제1고정집전부재와 상기 제1회전집전부재 사이에 구비되고, 상기 제1고정집전부재와 상기 제1회전집전부재를 전기적으로 접속시키는 제1슬립링;을 포함하고,
    상기 제2집전부는,
    상기 고정부에 설치되고, 상기 제1고정집전부재와 이격되게 배치되는 제2고정집전부재;
    상기 회전부에 설치되고, 상기 양극 집전체와 연결되는 제2회전집전부재; 및
    상기 제2고정집전부재와 상기 제2회전집전부재 사이에 구비되고, 상기 제2고정집전부재와 상기 제2회전집전부재를 전기적으로 접속시키는 제2슬립링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001102081A (ja) * 1999-09-30 2001-04-13 Daihatsu Motor Co Ltd 燃料電池システムおよびこれの使用方法
JP2003208917A (ja) * 2002-01-10 2003-07-25 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
KR20210104333A (ko) * 2020-02-17 2021-08-25 동명대학교산학협력단 회전형 연료전지

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